用于旋转钻机的钻机头的卡盘的制作方法

本发明涉及用于旋转钻凿的钻机头的卡盘，其中，卡爪围绕抓持位置轴线分布，并且其中，卡盘包括设置成用于将卡爪作用到释放位置的迫压装置。

本发明还涉及钻机头、钻机和卡爪弹簧。

背景技术：

先前已知用于勘探钻机的钻机头，所述钻机头配备有用于抓持并保持构成钻柱部件的钻管并使所述钻管旋转的液压致动式卡盘。

这种卡盘内的卡爪能够在以液压的方式供以动力的致动器的辅助下在抓持位置与释放位置之间径向地移动。

为了将卡爪在卡盘心轴中的槽中保持就位以及为了使卡爪从抓持位置移动到释放位置，设置有迫压装置，该迫压装置引起卡爪移动远离抓持位置轴线从而打开卡盘以释放对钻柱的抓持。

特别地，在已知的卡盘中，卡爪的背面是渐缩的并且被迫靠着与能够轴向移动的致动器相关联的渐缩表面。

当前的迫压装置所存在的问题在于这些迫压装置有时不能使卡爪从抓持位置完全进入释放位置，从而阻止钻柱穿过卡盘。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决就背景技术的以上问题以及至少减少这些问题。

就如上所述的卡盘而言，该目的因下述方面而得以实现：迫压装置是围绕所述轴线的部分环形的卡爪弹簧，并且该卡爪弹簧具有两个彼此相邻的弹簧端部；卡爪共同形成了用于卡爪弹簧的内侧坐置部，所述坐置部朝向抓持位置轴线敞开；卡爪弹簧设置成用于与卡爪中的任一卡爪固定接合；以及卡爪弹簧在每个弹簧端部处均设置有用于与弹簧安装工具配合的工具接合装置。

由此，卡爪弹簧可以形成为具有确保的弹簧作用的增大的工作范围。这意味着可以施加足够的弹簧力以使得卡爪在足够的径向距离上移动以打开卡盘，从而不仅释放了抓持又同时允许钻柱的具有比管状钻杆明显更大的直径的部件——即，岩心筒组件、甚至钻头和扩孔壳——的穿过。由于整个钻柱可以在卡盘上方进行组装及拆卸，因此这使得整个钻柱的处理过程较为容易。这与钻柱的拆卸较复杂的背景技术钻机头形成对照。

这与有时不能将卡爪充分地向后推靠于碗状部而因此阻止这些较大直径部件穿过卡盘的背景技术的迫压装置相比具有优势。试图提供更强的背景技术的迫压装置不足以解决该问题，并且还遗憾地由于迫压装置更难以安装而产生了新的问题。

卡爪弹簧在此由适当强的弹簧材料的单个部分环形件制成。“部分环形”意味着卡爪弹簧形成了在其不受应力的状态下小于360°的环形件，即，卡爪弹簧形成为在弹簧端部之间具有开口的环。

通常，在卡爪弹簧的最大程度地受应力且被压缩的状态下——即当位于卡爪最靠近抓持位置轴线的卡盘抓持位置时，卡爪弹簧被压缩而形成接近360°的(部分)环形形状。重要的是，卡爪弹簧在卡爪最大程度地远离抓持位置轴线的释放位置也形成了足以接触并致动卡盘的所有卡爪的环形形状。这是通过具有足够的长度并且设置成用于与卡爪中的一个卡爪固定接合的卡爪弹簧来确保的。与卡爪的这种固定接合阻止了卡爪终止于弹簧端部之间的开口中。

卡爪共同形成了用于卡爪弹簧的内侧敞开坐置部的事实允许通过使卡爪弹簧收缩以使得卡爪弹簧可以插入到坐置部中以及从坐置部释放并且能够被移除来安装及更换卡爪弹簧。所述坐置部朝向抓持位置轴线敞开。提供在每个弹簧端部处均具有用于与弹簧安装工具配合的、具有相匹配的对应接合元件的工具接合装置的卡爪弹簧简化了卡爪弹簧在坐置部中的把持和精确定位。

优选的是，卡爪弹簧具有扁平截面，原因在于扁平截面允许较宽的工作范围以及通过不复杂工具容易地安装。优选地，卡爪弹簧的轴向宽度(沿着抓持位置轴线所观察到的)与卡爪弹簧的径向厚度之间的比率的范围在2与6之间，并且更优选地在3与5之间。工具接合装置适当地为凹部，并且优选地为用于与基本上构造为锁环安装钳的弹簧安装工具的销接合并配合的通孔。通常，销被置于这种钳的柄部的端部处。

有利地，卡爪弹簧设置有用于与一个卡爪固定接合的固定装置。固定装置是设置成使得在弹簧处于其安装位置时与所涉及的卡爪固定接合的元件。通常，固定装置呈作为卡爪弹簧的弯曲端部的栓钉的形式，或者固定装置也可以是固定至卡爪弹簧的元件——比如销，固定装置用于与在卡爪中的任一卡爪中的坐置部的一部分中形成的凹部——比如钻孔——固定接合或紧固接合。适当地，每个卡爪均形成有这种凹部。如果卡爪由于其与心轴齐平或几乎齐平而难以被取出，则可以在每个卡爪中的凹部的底部中钻制出用于例如出于更换的目的允许与用于将卡爪从卡盘心轴取出的取出工具配合的带螺纹孔。

卡盘包括3个、4个或更多个卡爪。优选地，卡盘包括5个卡爪。

本发明还涉及一种用于旋转凿岩钻机的钻机头，该钻机头包括根据上文的卡盘。

本发明还涉及一种钻机，该钻机包括这种钻机头。

本发明还涉及一种用于旋转钻机的钻机头卡盘的卡爪弹簧，其中，围绕该卡盘的抓持位置轴线等角度地分布有多个卡爪，其中，卡爪与用于卡爪在抓持位置与释放位置之间的径向运动的致动器装置配合，并且其中，卡爪弹簧设置成用于将卡爪作用到释放位置。卡爪弹簧在其安装位置是围绕所述轴线的部分环形，并且卡爪弹簧具有两个彼此相邻的弹簧端部。卡爪弹簧还设置成用于与卡爪中的一个卡爪固定接合，并且卡爪弹簧在每个弹簧端部处均设置有用于与弹簧安装工具配合的工具接合装置。

有利地，卡爪弹簧具有扁平截面。工具接合装置适当地是通孔。卡爪弹簧有利地设置有用于与卡爪中的一个卡爪固定接合的固定装置。固定装置优选地是由卡爪弹簧的弯曲端部形成的用于与形成在卡爪中的凹部配合的栓钉。

附图说明

现在将在附图的背景下通过实施方式对本发明进行更详细的说明，在附图中：

图1以立体图的方式示出了根据本发明所配备的旋转钻机；

图2以立体图的方式示出了根据本发明的钻机头；

图3示出了根据本发明的用于钻机头的卡盘的轴向截面；

图4和图5以分开的立体图的方式示出了卡盘的卡爪处于两个不同的位置；

图6以立体图的方式示出了根据本发明的用于卡盘的卡爪弹簧；以及

图7和图8示出了本发明的钻机头的部件的部分截面。

具体实施方式

图1示出了用于勘探钻凿的旋转钻机1，该钻机具有井架2，该井架2带有对钻机头4进行支承的长形进给梁。钻机头4能够沿着进给梁上下移动。动力单元3包括用于向钻机头4供给动力的常见机械装置。

在图2中以更大的比例被示出的钻机头4的顶部处定位有用于抓持钻柱(图中未示出)以将旋转运动和轴向运动传递至钻柱的卡盘5。

在图3中以轴向截面示出的卡盘5包括卡盘心轴17，该卡盘心轴17具有用于可径向移动的卡爪7的多个径向定向槽18。卡爪又包括用于与钻柱接合的抓持表面。在卡盘5的顶部上定位有用于引导钻柱以将所抓持的钻柱的轴线定中心成与抓持位置轴线9基本上同轴的拼合衬套6。

卡爪7共同形成了用于部分环形的卡爪弹簧8的坐置部，该部分环形的卡爪弹簧8是用以将卡爪7沿从抓持位置轴线9向释放位置的方向径向地按压的迫压装置。由此，卡爪7的径向外侧部7’与作为卡爪致动器装置10的一部分的卡盘碗状部11接触，其中，卡爪致动器装置10具有将卡爪7在释放位置与抓持位置之间致动的功能。

卡盘碗状部11具有与卡爪的外侧部7’的倾斜形状对应的渐缩内侧部。此外，卡爪的倾斜外侧部7’成与卡盘碗状部11的阶梯状内侧部对应的阶梯状。这种设计的原因在于在卡爪与卡盘碗状部之间提供两个相对倾斜的接触表面。以此方式，在不需要较大抓持力的第一模式下，可以提供较小的抓持力以及卡爪向抓持位置外侧的相对较大的径向位移。在确实需要与在抓持位置中所需的抓持力对应的较大抓持力的第二模式下，提供这种较大抓持力以及相对较小的径向位移也已成为可能。

卡爪致动器装置10还包括固定构件14，该固定构件14具有用于在压力下向活塞-气缸装置供应液压流体的液压供应入口12。在活塞-气缸装置被致动时，卡盘碗状部11被按压以抵抗作为围绕卡盘碗状部分布的螺旋弹簧的多个卡盘碗状部复位弹簧13的力向上(当卡盘以图3中所观察到的方式定向时)移动。

在通过液压供应入口12进行加压时，卡盘碗状部11因此轴向向上(当卡盘以图3中所观察到的方式定向时)移动，使得卡爪7能够从卡盘5的抓持位置径向地向外移动到释放位置，此时卡盘5内所抓持的钻柱部件将被释放。

在压力流体向液压供应入口12的供应结束并且压力流体连接至槽等时，卡盘碗状部复位弹簧13将卡盘碗状部11向下迫压到卡盘的关闭位置(如图3中所观察到的)，由此，由于卡盘碗状部的渐缩内侧表面与卡爪的倾斜外侧表面之间的配合而将卡爪7再次按压到抓持位置。

卡爪弹簧8设置成用于将卡爪7牢固地压靠卡盘碗状部11，从而确保卡爪向释放位置的运动并且确保用于钻柱在卡盘内的通过空间。

15表示固定构件14与可旋转的卡盘心轴17之间的滚珠轴承。16表示用于将卡盘心轴17附接至钻机头4的另一可旋转部分的卡盘接合部。

图4示出了从卡盘的其他元件脱离出的五个卡爪7。卡爪围绕抓持位置轴线(未示出)均匀地分布，并且卡爪在图4中被示出得如同卡爪定位在卡盘心轴中并且处于抓持位置——即卡爪7最靠近彼此并且处于抓持钻柱的位置——那样。卡爪弹簧在该最大程度地压缩的位置并没有完全形成完整的圆。

24表示用于卡爪弹簧8的上述内侧坐置部，该坐置部总体上看起来是在处于卡爪7的安装位置时位于卡爪7的内侧表面中的差不多圆形的凹槽。坐置部24沿抓持位置轴线(参见图3)的方向敞开。

图5是与图4中的图示对应的图示，其中，卡爪已移动至释放位置，并且其中，卡爪已移位成彼此更加间隔开以释放所抓持的钻柱部件。26表示用于卡爪弹簧的固定凹部。

图6以立体图的方式示出了卡爪弹簧8，该卡爪弹簧8是具有部分环形构型或部分环状构型的“扁平”截面卡爪弹簧。由普通的弹簧钢材料适当地制造的扁平卡爪弹簧结构使得易于设计在较宽的工作范围内具有可预测的弹簧力特性的较强的卡爪弹簧。

在第一弹簧端部20和第二弹簧端部21处设置有呈通孔22和23形式的用于与用于将卡爪弹簧安装在坐置部24中的安装工具的接合元件配合的相应的工具接合装置，以用于更换或替换卡爪弹簧、或者用于在卡盘的制造期间对卡爪弹簧进行定位。扁平的弹簧设计使得较强的卡爪弹簧成为可能。通过本发明的卡爪弹簧而可以实现的增大的弹簧刚度使卡爪充分地收回，从而允许较大直径的部件穿过完全打开的卡盘。

即使扁平的钢制卡爪弹簧较硬，其仍易于利用简单的安装工具来安装。

安装工具通常起锁环钳的作用，原因在于其在柄部的端部处配备有接合在孔22和23中的销。该工具还包括用于在销接合在孔22和23中时将这些销聚在一起以将卡爪弹簧压缩成较小直径从而使得卡爪弹簧小到足够定位在坐置部中的装置。孔优选地被特定地定形为这些孔定向成使得卡爪弹簧在其被压缩时将不会跳离工具。优选地，孔在松弛的弹簧位置彼此位置对等(parallel)。

25表示从所述抓持位置轴线(图3中的9)径向向外指向的固定装置。固定装置25如所示出的是卡爪弹簧8的形成为用于接合到在卡爪7中的(至少)一个卡爪的坐置部24中设置的对应的孔(图5中的26)中的栓钉的弯曲端部。任一卡爪或所有卡爪都可以具有用于允许栓钉定位在相应的一个或多个卡爪中的这样的孔。

如从图4和图5中可以观察到的，固定装置25从固定装置25所接合的卡爪7的中央稍微移位。这样做的原因在于由此在各个卡爪之间得到更好的力分布。

需要钻衬套来使钻杆在矿物勘探钻机(也被称为金刚石钻机)上的钻机头中居中。衬套——钻杆穿过所述衬套——分别位于卡盘的顶端和钻机头心轴的底端处。勘探钻机中的钻杆以较高的每分钟转数(通常为每分钟1000转)转动，并且钻衬套在心轴的卡盘端部和另一端部处帮助使钻柱在钻机头中居中。

为了提供所需的居中，钻衬套与钻杆之间的间距必须相当小——典型的标称直径空隙为约1.5mm。特别地，钻柱的端部处的岩心筒具有大于钻柱的直径的直径进而不能穿过典型的一件式钻衬套。这使得难以安装钻衬套并且使得钻柱的拆卸较复杂。

此处所描述的拼合衬套的新特点在于拼合衬套可以以与一件式衬套几乎同样的较低的成本制造。另外，这两个衬套半部通过使衬套半部靠着支承外径部定位而仍然保持真正的圆。衬套半部随后被螺栓连接就位。

拼合衬套是通过将一件式衬套切割成两个相等的半部来制造的。衬套的这两个半部靠着使衬套集中的直径部定位以形成以心轴中心线为中心的真正的圆(仅通过因切割作用产生的两个间隙中断)。这两个较小的间隙不影响功能，原因在于与直径空隙使钻杆偏离中心相比，这两个较小的间隙不会使钻杆明显更大程度地移动偏离中心线。

图7示出了卡盘5的具有拼合衬套6的顶端，其中，因制造而产生的间隙用28表示。卡盘中的定位内侧坐置部用30表示。

图8示出了钻机头心轴37的具有拼合衬套27的底端，其中，因制造而产生的间隙用29表示。心轴中的定位内侧坐置部用31表示。

卡盘的顶部上的衬套孔以及钻机头心轴的底部处的衬套孔在两侧上均具有被倒角的入口边缘。不论钻杆沿哪个方向移动穿过衬套，这些倒角都有助于引导钻杆穿过衬套。例如：当钻杆被降低穿过钻机头或者钻机头被降低到保持于底部夹持件中的钻杆周围时，倒角边缘辅助允许平滑的运动并且防止钻杆卡在例如钻杆与钻机头之间存在的较小未对准的区域处。

拼合衬套容易进行安装，甚至在钻杆穿过卡盘的情况下也是如此。拼合衬套还容易移除，并且因此允许具有比衬套内径大的标称直径的岩心筒、扩孔壳并且甚至可能是钻头穿过钻机头。拼合衬套的成本比一件式衬套仅高了将一件式衬套切割成两个半部的成本。然而，却比制造没有间隙的拼合衬套低得多。